Світло відбивається. Кут відбиття дорівнює куту падіння. Закон відбиття світла

Закони відбивання і заломлення світла. Повне внутрішнє віддзеркалення світла

Закони відбиття світла були знайдені експериментально ще в 3 столітті до нашої ери давньогрецьким ученим Евклідом. Також ці закони можуть бути отримані як наслідок принципу Гюйгенса, згідно з яким кожна точка середовища, до якої дійшло обурення, є джерелом вторинних хвиль. Хвильова поверхня (фронт хвилі) в наступний момент є дотичну поверхню до всіх вторинним хвилях. принцип Гюйгенса є чисто геометричним.

На гладку відбивну поверхню КМ (рис. 1.) падає плоска хвиля, тобто хвиля, хвильові поверхні якої є смужки.

Мал. 1 Побудова Гюйгенса.

А 1 А і В 1 В - промені падаючої хвилі, АС - хвильова поверхня цієї хвилі (або фронт хвилі).

Бувай фронт хвилі з точки С переміститься за час t в точку В, з точки А пошириться вторинна хвиля по півсфері на відстань AD \u003d CB, так як AD \u003d vt і CB \u003d vt, де v - швидкість поширення хвилі.

Хвильова поверхня відбитої хвилі - це пряма BD, дотична до півсфери. Далі хвильова поверхня буде рухатися паралельно самій собі у напрямку відбитих променів АА 2 і ВВ 2.

прямокутні трикутники ΔАСВ і ΔADB мають загальну гіпотенузу АВ і рівні катети AD \u003d CB. Отже, вони рівні.

Кути САВ \u003d α і DBA \u003d γ рівні, тому що це кути із взаємно перпендикулярними сторонами. А з рівності трикутників випливає, що α \u003d γ.

З побудови Гюйгенса також випливає, що падаючий і відбитий промені лежать в одній площині з перпендикуляром до поверхні, відновленим в точці падіння променя.

Закони відбивання справедливі при зворотному напрямку ходу світлових променів. Внаслідок оборотності ходу світлових променів маємо, що промінь, що поширюється по шляху відбитого, відбивається по шляху падаючого.

Більшість тіл лише відображають падаюче на них випромінювання, не будучи при цьому джерелом світла. Освітлені предмети видно з усіх боків, так як від їх поверхні світло відбивається в різних напрямках, розсіюючись.

Це явище називається дифузне відображення або розсіяне відбиття. Дифузійне відбиття світла (рис. 2.) походить від всіх шорстких поверхонь. Для визначення ходу відбитого променя такій поверхні в точці падіння променя проводиться площину, дотична до поверхні, і по відношенню до цієї площини будуються кути падіння і відображення.

Мал. 2. Дифузійне відбиття світла.

Наприклад, 85% білого світла відбивається від поверхні снігу, 75% - від білого паперу, 0,5% - від чорного оксамиту. Дифузійне відбиття світла не викликає неприємних відчуттів в оці людини, на відміну від дзеркального.

Дзеркальне відображення світла - це коли падаючі на гладку поверхню під певним кутом промені світла відбиваються переважно в одному напрямку (рис. 3.). Поверхня, що відбиває в цьому випадку називається дзеркалом (або дзеркальна поверхня). Дзеркальні поверхні можна вважати оптично гладкими, якщо розміри нерівностей і неоднорідностей на них не перевищують довжини світлової хвилі (менше 1 мкм). Для таких поверхонь виконується закон відбиття світла.

Мал. 3. Дзеркальне відображення світла.

плоске дзеркало - це дзеркало, відбиває поверхня якого є площину. Плоске дзеркало дає можливість бачити предмети, що знаходяться перед ним, причому ці предмети здаються розташованими за дзеркальною площиною. У геометричній оптиці кожна точка джерела світла S вважається центром розходиться пучка променів (рис. 4.). Такий пучок променів називається гомоцентріческіх. Зображенням точки S в оптичному пристрої називається центр S 'гомоцентріческіх відбитого і переломлених пучка променів в різних середовищах. Якщо світло, розсіяне поверхнями різних тіл, потрапляє на плоске дзеркало, а потім, відбиваючись від нього, падає в око спостерігача, то в дзеркалі видно зображення цих тіл.

Мал. 4. Зображення, що виникає за допомогою плоского дзеркала.

Зображення S 'називається дійсним, якщо в точці S 1 перетинаються самі відбиті (переломлених) промені пучка. Зображення S 1 називається уявним, якщо в ній перетинаються не власними відбиті (переломлених) промені, а їх продовження. Світлова енергія в цю точку не надходить. На рис. 4 представлено зображення світиться точки S, виникає за допомогою плоского дзеркала.

Луч SO падає на дзеркало КМ під кутом 0 °, отже, кут відбиття дорівнює 0 °, і цей промінь після відображення йде по шляху OS. З усього безлічі потрапляють з точки S променів на плоске дзеркало виділимо промінь SO 1.

Луч SO 1 падає на дзеркало під кутом α і відбивається під кутом γ (α \u003d γ). Якщо продовжити відбиті промені за дзеркало, то вони зійдуться в точці S 1, яка є уявним зображенням точки S в плоскому дзеркалі. Таким чином, людині здається, що промені виходять з точки S 1, хоча насправді променів, що виходять їх цієї точки і потрапляють в око, не існує. Зображення точки S 1 розташоване симетрично самої світиться точці S щодо дзеркала КМ. Доведемо це.

Луч SB, що падає на дзеркало під кутом 2 (рис. 5.), відповідно до закону відбиття світла відбивається під кутом 1 \u003d 2.

Мал. 5. Відображення від плоского дзеркала.

З рис. 1.8 видно, що кути 1 і 5 рівні - як вертикальні. Суми кутів 2 + 3 \u003d 5 + 4 \u003d 90 °. Отже, кути 3 \u003d 4 і 2 \u003d 5.

Прямокутні трикутники ΔSOB і ΔS 1 OB мають загальний катет ОВ і рівні гострі кути 3 і 4, отже, ці трикутники рівні за стороні і двом прилеглим до катету кутах. Це означає, що SO \u003d OS 1, тобто точка S 1 розташована симетрично точці S щодо дзеркала.

Для того щоб знайти зображення предмета АВ в плоскому дзеркалі, досить опустити перпендикуляри з крайніх точок предмета на дзеркало і, продовживши їх за межі дзеркала, відкласти за ним відстань, рівну відстані від дзеркала до крайньої точки предмета (рис. 6.). Це зображення буде уявним і в натуральну величину. розміри і взаємне розташування предметів зберігаються, але при цьому в дзеркалі ліва і права сторони у зображення міняються місцями в порівнянні з самим предметом. Паралельність падаючих на плоске дзеркало світлових променів після відображення також не порушується.

Мал. 6. Зображення предмета в плоскому дзеркалі.

У техніці часто застосовують дзеркала зі складною кривою відбиває, наприклад, сферичні дзеркала. сферичне дзеркало - це поверхня тіла, що має форму сферичного сегмента і дзеркально відбиває світло. Паралельність променів при відображенні від таких поверхонь порушується. Дзеркало називають увігнутим, Якщо промені відбиваються від внутрішньої поверхні сферичного сегмента.

Паралельні світлові промені після віддзеркалення від такої поверхні збираються в одну точку, тому увігнуте дзеркало називають збирає. Якщо промені відбиваються від зовнішньої поверхні дзеркала, то воно буде опуклим. Паралельні світлові промені розсіюються в різні боки, тому опукле дзеркало називають розсіює.

Переломлення На межі розділу двох середовищ падаючий світловий потік ділиться на дві частини: одна частина відбивається, інша - переломлюється.
В. Снелл (Снеллиус) до X. Гюйгенса і І. Ньютона 1621 р експериментально відкрив закон заломлення світла, однак не отримав формулу, а висловив його у вигляді таблиць, тому що до цього часу в математиці ще не були відомі функції sin і cos.
Заломлення світла підкоряється закону: 1. Промінь падаючий і промінь переломлений лежать в одній площині з перпендикуляром, восставленний в точці падіння променя до поверхні розділу двох середовищ. 2. Ставлення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для двох даних середовищ є величина постійна (для монохроматичного світла).

Причиною заломлення є відмінність швидкостей поширення хвиль в різних середовищах.
Величина, що дорівнює відношенню швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в даному середовищі, називається абсолютним показником заломлення середовища. Це таблична величина - характеристика даного середовища.
Величина, що дорівнює відношенню швидкості світла в одному середовищі до швидкості світла в інший, називається відносним показником заломлення другого середовища відносно першого.
Доказ закону заломлення. Поширення падаючих і заломлених променів: ММ "- межа розділу двох середовищ. Промені А 1 А і В 1 В - падаючі промені; α - кут падіння ;. АС - хвильова поверхня в момент, коли промінь А 1 А досягне межі розділу середовищ. Скориставшись принципом Гюйгенса побудуємо хвильову поверхню в той момент, коли промінь в 1 Вдостігнет кордону розділу середовищ. побудуємо заломлені промені АА 2 і ВВ 2. β - кут заломлення. АВ - загальна сторона трикутників АВС і АВD. Оскільки промені і хвильові поверхні взаємно перпендикулярні, то кут ABD \u003d α і кут BAC \u003d β. Тоді отримаємо:

У призмі або плоскопараллельной пластині заломлення відбувається на кожній грані у відповідність до закону заломлення світла. Не забудьте, що завжди існує відображення. Крім того, реальний хід променів залежить і від показника заломлення, і від заломлюючого кута - кута при вершині призми.)

Повне відображення Якщо світло падає з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільну, то при певному для кожного середовища куті падіння, переломлений промінь зникає. Спостерігається тільки переломлення. Це явище називається повним внутрішнім віддзеркаленням.

Кут падіння, якому відповідав би кут заломлення 90 °, називають граничним кутом повного внутрішнього відображення (a 0). Із закону заломлення випливає, що при переході світла з будь-якої середовища в вакуум (або повітря)
Якщо ми намагаємося з-під води поглянути на те, що знаходиться в повітрі, то при певному значенні кута, під яким ми дивимося, можна побачити відбите від поверхні води дно. Це важливо враховувати для того, щоб не втратити орієнтування.
У ювелірній справі огранювання каменів підбирається так, щоб на кожній грані спостерігалося повне відображення. Цим і пояснюється "гра каменів".
Повним внутрішнім відображенням пояснюється і явище міражу.

геометрична оптика- це розділ оптики, що вивчає закони поширення світла в прозорих середовищах і відбиття світла від дзеркальних або напівпрозорих поверхонь. Основні закони геометричної оптики перераховані нижче:

Закон прямолінійного поширення світла.

В оптично однорідному середовищі (зокрема, в вакуумі) промені світла поширюються прямолінійно. Прямолінійністю поширення світла пояснюється утворення тіні, тобто області, куди не надходить світлова енергія. При малих розмірах джерела (крапка, що світиться) виходить різко окреслена тінь.

При великих розмірах джерела створюються нерізкі тіні.

Справа в тому, що від кожної точки джерела світло поширюється прямолінійно і предмет, освітлений вже двома світяться точками, дасть дві незбіжні тіні, накладення яких утворює тінь нерівномірної густоти. Повна тінь при протяжному джерелі утворюється лише в тих ділянках екрана, куди світло не потрапляє зовсім. По краях повної тіні розташовується світліша область. Це півтінь.

Закон незалежності світлових пучків.

Енергія в кожному пучку поширюється незалежно від інших пучків; освітленість поверхні, на яку падає кілька пучків, дорівнює сумі освітленостей, створюваних кожним пучком окремо.

Закон відбиття світла.

Промінь світла в однорідному середовищі прямолінійний до тих пір, поки він не дійде до кордону цього середовища з іншим середовищем. На кордоні двох середовищ промінь змінює свій напрямок. Частина світла (а в ряді випадків і весь світ) повертається в першу середу. Це явище називається відображенням світла. Одночасно світло частково проходить у другу середу, змінюючи при цьому напрямок свого поширення - переломлюється.

Дзеркальне і дифузне відображення.

Залежно від властивостей кордону розділу між двома середовищами відображення може мати різний характер. Якщо межа має вигляд поверхні, розміри нерівностей якої менше довжини світлової хвилі, то вона називається дзеркальної. Промені світла, що падають на таку поверхню вузьким паралельним пучком, йдуть після відображення також по близьким напрямками. Таке спрямоване відображення називають дзеркальним. Якщо ж розміри нерівностей більше довжини хвилі світла, то вузький пучок розсіюється на кордоні. Після відображення промені світла йдуть по всіляких напрямках. Таке відображення називають розсіянимабо дифузним. Саме завдяки дифузному відображенню світла ми можемо бачити предмети, які самі не випромінюють світло. Незначною мірою розсіювання світла має місце при його відображенні навіть від самої гладкій поверхні, наприклад, від звичайного дзеркала. Інакше ми не могли б побачити поверхню дзеркала.

Закон відбиття світла.

Закон відбиття світла визначає взаємне розташування падаючого променя, відбитого променя і перпендикуляра до поверхні, відновленого в точці падіння.

Цей закон справедливий для хвиль будь-якої природи і формулюється так: падаючий промінь, відбитий промінь і перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, відновлений в точці падіння променя, лежать в одній площині; кут відображення  дорівнює куту падіння Очевідно, що цей закон буде виконуватися і в тому випадку, якщо світло буде поширюватися в зворотному напрямку. оборотністьходу світлових променів є їх важливою властивістю.

Зображення в плоскому дзеркалі.

Нехай світиться точка знаходиться перед плоскою відбиває світло поверхнею, тобто плоским дзеркалом. Поставимо питання: де ми побачимо зображенняцієї точки, якщо подивимося в дзеркало? Для відповіді на це питання розглянемо кілька променів, що виходять з точки S і

Людині здається, що промені виходять з точки S1, яку можна знайти, продовживши промені в протилежну сторону до перетину. Точка S1 тому буде зображенням точки S в плоскому дзеркалі. Це зображення називається уявним, Так як в точці S1 перетинаються не власними відбиті промені, а їх продовження. Світлова енергія в цю точку не надходить. Розглянемо будь-які два променя розходиться пучка, наприклад крайні промені пучка, що потрапляє в око, - промені AB і CD. У трикутниках SAC і S1AC сторона AC загальна. Використовуючи закон відображення, можна довести, що кути в трикутниках, прилеглі до цієї сторони, відповідно конгруентний. Отже, трикутники конгруентний і сполучаться один з одним, якщо перегнути малюнок по лінії дзеркала. Це означає, що точка S1расположена симетрично точці S щодо дзеркала. Тому для знаходження зображення точки досить опустити з неї на дзеркало або на його продовження перпендикуляр і продовжити його на таку ж відстань за дзеркало.

Закон заломлення світла.

На кордоні двох середовищ світло змінює напрям свого поширення. Частина світлової енергії повертається в першу середу, тобто відбувається віддзеркалення світла. Якщо друга середовище прозоре, то частина світла за певних умов може пройти через кордон середовищ, також змінюючи при цьому, як правило, напрямок свого поширення. Це явище називається заломленням світла. Внаслідок заломлення спостерігається гадана зміна розмірів, форми і розташування предметів. У цьому нас можуть переконати прості спостереження. Встановимо похило олівець в стакані з водою. Частина олівця, що знаходиться у воді, здається зрушеною в сторону і збільшеною в діаметрі.

Подібні явища пояснюються зміною напрвления променів на межі двох середовищ. Луч, що поширюється в першому середовищі і досягає межі, називається падаючим променем. Він становить з перпендикуляром до кордону, проведеним через точку падіння, угол, званий кутом падіння. Луч, що пройшов у другу середу, називають заломленим променем. Угол, який цей промінь утворює з тим же перпендикуляром, називають кутом заломлення.

Закон заломлення, встановлений експериментально в XVII столітті, формулюється так: Падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, відновлений в точці падіння променя, лежать в одній площині; відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є величина постійна для двох даних середовищ.

Sin a / sin b \u003d n

Показник переломлення.

Постійна величина, що входить в закон заломлення світла, називається відносним показником заломленняабо показником заломлення одного середовища відносно першого.Показник заломлення середовища щодо вакууму називають абсолютним показником заломленняцього середовища. Він дорівнює відношенню синуса кута падіннядо синусу кута заломленняпри переході світлового променя з вакууму в цю середу. Відносний показник заломлення n пов'язаний з абсолютними показниками n2і n1первой середовища співвідношенням:

Тому закон заломлення може бути записаний у такий спосіб:

Sina / sinb \u003d n2 / n1 Середу з меншим абсолютним показником заломлення прийнято називати оптично менш щільною середовищемАбсолютний показник заломлення середовища має глибокий фізичний зміст. Він пов'язаний зі швидкістю поширення світла в даному середовищі і залежить від фізичного стану середовища, в якій поширюється світло, тобто від температури, щільності речовини, наявності в ньому пружних натягів. Показник заломлення залежить також і від характеристик самого світла. Для червоного світла він менше, ніж для зеленого, а для зеленого менше, ніж для фіолетового.

Повне внутрішнє віддзеркалення.

Якщо n - показник переломленняскла щодо повітря (n\u003e 1), то показник заломлення повітря щодо скла дорівнюватиме 1 / n. В даному випадку скло є першою середовищем, а повітря - другий. Закон заломлення запишеться так:

sin  / sin \u003d 1 / nПрі цьому кут заломленнябільше кута падіння, Тому що sin \u003d n * sin, а n\u003e 1; отже, sin\u003e sinі отже, кут заломлення більше кута падіння (\u003e ). Значить, переходячи в оптично менш щільнусереду, промінь відхиляється в сторону від перпендикуляра до кордону двох середовищ. Найбільшому можливого кутку преломленія \u003d 90 відповідає кут паденія0. При вугіллі паденія\u003e 0преломленний пучок зникне, і весь світ відбивається від кордону розділу, тобто відбувається повне відображення світла.

Деякі закони фізики важко уявити без використання наочних посібників. Це не стосується звичного всім світла, що потрапляє на різні об'єкти. Так на кордоні, що розділяє два середовища, відбувається зміна напрямку світлових променів в тому випадку, якщо ця межа набагато перевищує При світла виникає, коли частина його енергії повертається в першу середу. Якщо частина променів проникає в інше середовище, то відбувається їх переломлення. У фізиці енергії, що потрапляє на кордон двох різних середовищ, називається падаючим, а той, що від неї повертається в першу середу, - відбитим. Саме взаємне розташування даних променів визначає закони відображення і заломлення світла.

терміни

Кут між падаючим променем і перпендикулярної лінією до кордону розділу двох середовищ, відновленої до точки падіння потоку світлової енергії, називається Існує ще один важливий показник. Це кут відображення. Він виникає між відбитим променем і перпендикулярної лінією, відновленої до точки його падіння. Світло може поширюватися прямолінійно виключно в однорідному середовищі. Різні середовища по-різному поглинають і відображають випромінювання світла. Коефіцієнтом відображення називають величину, що характеризує відбивну здатність речовини. Він показує, скільки принесеної світловим випромінюванням на поверхню середовища енергії складе та, яка понесеться від неї відбитим випромінюванням. Даний коефіцієнт залежить від чималої кількості факторів, одними з найважливіших є кут падіння і склад випромінювання. Повне відображення світла відбувається тоді, коли він падає на предмети або речовини з поверхнею, що відбиває. Так, наприклад, це трапляється при попаданні променів на тонку плівку срібла і рідкої ртуті, нанесених на скло. Повне відображення світла на практиці зустрічається досить часто.

закони

Закони відбивання і заломлення світла були сформульовані Евклидом ще в ІІІ ст. до н. е. Всі вони були встановлені експериментально і легко підтверджуються чисто геометричним принципом Гюйгенса. Згідно з ним будь-яка точка середовища, до якої доходить обурення, являє собою джерело вторинних хвиль.

Перший світла: падаючий і відображає промінь, а також перпендикулярна лінія до кордону розділу середовищ, відновлена \u200b\u200bв точці падіння світлового променя, розташовані в одній площині. На відбивну поверхню падає плоска хвиля, хвильові поверхні якої є смужками.

Інший закон говорить про те, що кут відбиття світла дорівнює куту падіння. Це відбувається тому, що вони мають взаємно перпендикулярні сторони. Виходячи з принципів рівності трикутників, слід, що кут падіння дорівнює куту відбиття. Можна легко довести, що вони лежать в одній площині з перпендикулярної лінією, відновленої до кордону розділу середовищ в точці падіння променя. Ці найважливіші закони справедливі і для зворотного ходу світла. Внаслідок оборотності енергії промінь, що поширюється по шляху відбитого, буде відображатися по шляху падаючого.

Властивості відображають тел

Переважна більшість об'єктів тільки відображають падаюче на них світлове випромінювання. При цьому вони не є джерелом світла. Добре освітлені тіла добре видно з будь-яких сторін, оскільки випромінювання від їх поверхні відбивається і розсіюється в різних напрямках. Це явище називаються дифузним (розсіяним) відображенням. Воно відбувається при потраплянні світла на будь-які шорсткі поверхні. Для визначення шляху відбитого від тіла променя в точці його падіння проводиться площину, що стосується поверхні. Потім по відношенню до неї будують кути падіння променів і відображення.

дифузійне відбиття

Тільки завдяки існуванню розсіяного (дифузного) відображення світлової енергії ми розрізняємо предмети, які не здатні випромінювати світло. Будь-яке тіло буде абсолютно невидимим для нас, якщо розсіювання променів дорівнюватиме нулю.

Дифузійне відбиття світлової енергії не викликає у людини неприємних відчуттів в очах. Це відбувається від того, що не весь світ повертається до первісної середу. Так від снігу відбивається близько 85% випромінювання, від білого паперу - 75%, ну а від велюру чорного кольору - всього 0,5%. При відображенні світла від різних шорсткуватих поверхонь промені направляються хаотично по відношенню один до одного. Залежно від того, в якій мірі поверхні відображають світлові промені, їх називають матовими або дзеркальними. Але все-таки ці поняття є відносними. Одні і ті ж поверхні можуть бути дзеркальними і матовими при різній довжині хвилі падаючого світла. Поверхня, яка рівномірно розсіює промені в різні боки, вважається абсолютно матовою. Хоча в природі таких об'єктів практично немає, до них дуже близькі неглазуруючий фарфор, сніг, чертежная папір.

Дзеркальне відображення

Дзеркальне відображення променів світла відрізняється від інших видів тим, що при падінні пучків енергії на гладку поверхню під певним кутом вони відображаються в одному напрямку. Це явище знайоме всім, хто колись користувався дзеркалом під променями світла. У цьому випадку воно є, що відбиває. До цього розряду відносяться і інші тіла. До дзеркальним (відображає) поверхонь можна віднести все оптично гладкі об'єкти, якщо розміри неоднорідностей і нерівностей на них складають менше 1 мкм (не перевищують величину довжини хвилі світла). Для всіх таких поверхонь дійсні закони відбиття світла.

Віддзеркалення світла від різних дзеркальних поверхонь

У техніці нерідко використовуються дзеркала з вигнутою поверхнею, що відбиває (сферичні дзеркала). Такі об'єкти являють собою тіла, що мають форму сферичного сегмента. Паралельність променів в разі відбиття світла від таких поверхонь сильно порушується. При цьому існує два види таких дзеркал:

Увігнуті - відбивають світло від внутрішньої поверхні сегмента сфери, їх називають збирають, оскільки паралельні промені світла після відображення від них збираються в одній точці;

Опуклі - відбивають світло від зовнішньої поверхні, при цьому паралельні промені розсіюються в сторони, саме тому опуклі дзеркала називають розсіюючими.

Варіанти відображення світлових променів

Луч, що падає практично паралельно поверхні, тільки трохи стосується її, а далі відбивається під сильно тупим кутом. Потім він продовжує шлях по дуже низькій траєкторії, максимально розташованої до поверхні. Луч, що падає практично прямовисно, відбивається під гострим кутом. При цьому напрямок вже відбитого променя буде близько до шляху падаючого променя, що повністю відповідає фізичним законам.

заломлення світла

Відображення тісно пов'язане з іншими явищами геометричній оптики, такими як переломлення і повне внутрішнє відбиття. Найчастіше світло проходить через кордон між двома середовищами. Заломленням світла називають зміну напрямку оптичного випромінювання. Воно відбувається при проходженні його з одного середовища в іншу. Заломлення світла має дві закономірності:

Луч, що пройшов через кордон між середовищами, розташований в площині, яка проходить через перпендикуляр до поверхні і падаючий промінь;

Кут падіння і заломлення пов'язані.

Переломлення завжди супроводжується відображенням світла. Сума енергій відбитого і зламаного пучків променів дорівнює енергії падаючого променя. Їх відносна інтенсивність залежить від в падаючому пучку і кута падіння. На законах заломлення світла грунтується пристрій багатьох оптичних приладів.

Світло поширюється прямолінійно тільки в однорідному середовищі. Якщо світло підходить до межі поділу двох середовищ, він змінює напрямок поширення.

Крім того, частина світла повертається в першу середу. Це явище називається відображенням світла. Промінь світла, що йде до кордону розділу середовищ в першому середовищі (рис. 16.5), називається падаючим (А). Луч. що залишається в першому середовищі після взаємодії на межі розділу середовищ, називається відбитим (B).

Кут \\ (\\ alpha \\) між падаючим променем і перпендикуляром, восставленний до поверхні, що відбиває в точці падіння променя, називається кутом падіння.

Кут \\ (\\ gamma \\) між відбитим променем і тим же перпендикуляром називається кутом відбиття.

Ще в III в. до н.е. давньогрецьким вченим Евклідом досвідченим шляхом були відкриті закони відображення. В сучасних умовах перевірку цього закону можна провести за допомогою оптичної шайби (рис. 16.6), що складається з диска, по колу якого нанесені поділки, і з джерела світла, який можна переміщати по краю диска. У центрі диска закріплюють відбивну поверхню (плоске дзеркало). Направляючи світло на поверхню, що відбиває, вимірюють кути падіння і кути відбиття.

Закони відбивання:

1.Лучі падаючий, відбитий і перпендикуляр, восставленний до кордону двох середовищ у точці падіння променя, лежать в одній площині.

2.Угол відбиття дорівнює куту падіння:

\\ (~ \\ Alpha \u003d \\ gamma \\)

Закони відбивання можна вивести теоретично, користуючись принципом Ферма.

Нехай на дзеркальну поверхню падає світло з точки А. У точці А 1 збираються промені, відбиті від дзеркала (рис. 16.7). Припустимо, що світло може поширюватися двома шляхами, відбиваючись від точок О і О ". Час, який буде потрібно світла, щоб пройти шлях АОА 1, можна знайти за формулою \\ (t \u003d \\ frac (AO) (\\ upsilon) + \\ frac ( AO_1) (\\ upsilon) \\), де \\ (~ \\ upsilon \\) - швидкість поширення світла.

Найкоротша відстань від точки А до дзеркальної поверхні позначимо через l, а від точки А 1 - через i 1.

З малюнка 16.7 знайдемо

\\ (AO \u003d \\ sqrt (l ^ 2 + x ^ 2) \\); \\ (OA_1 \u003d \\ sqrt ((L-x) ^ 2 + l_1 ^ 2) \\).

\\ (T \u003d \\ frac (\\ sqrt (l ^ 2 + x ^ 2) + \\ sqrt ((L-x) ^ 2 + l_1 ^ 2)) (\\ upsilon) \\)

знайдемо похідну

\\ (T "_x \u003d \\ frac (1) (\\ upsilon) \\ Bigr (\\ frac (2x) (2 \\ sqrt (l ^ 2 + x ^ 2)) + \\ frac (2 (Lx) (- 1)) (2 \\ sqrt ((Lx) ^ 2 + l_1 ^ 2)) \\ Bigl) \u003d \\ frac (1) (\\ upsilon) \\ Bigr (\\ frac (x) (\\ sqrt (l ^ 2 + x ^ 2)) - \\ frac (Lx) (\\ sqrt ((Lx) ^ 2 + l_1 ^ 2)) \\ Bigl) \u003d \\ frac (1) (\\ upsilon) \\ Bigr (\\ frac (x) (AO) - \\ frac (Lx ) (OA_1) \\ Bigl) \\).

З малюнка бачимо, що \\ (\\ frac (x) (AO) \u003d \\ sin \\ alpha \\); \\ (\\ Frac (L-x) (OA_1) \u003d \\ sin \\ gamma \\).

Отже, \\ (t "_x \u003d \\ frac (1) (\\ upsilon) (\\ sin \\ alpha- \\ sin \\ gamma) \\).

Для того щоб час t було мінімально, похідна повинна бути дорівнює нулю. Таким чином, \\ (\\ frac (1) (\\ upsilon) (\\ sin \\ alpha- \\ sin \\ gamma) \u003d 0 \\). Звідси \\ (~ \\ sin \\ alpha \u003d \\ sin \\ gamma \\), а так як кути \\ (~ \\ alpha \\) і \\ (~ \\ gamma \\) - гострі, то це означає рівність кутів \\ [~ \\ gamma \u003d \\

Ми отримали співвідношення, що виражає другий закон відображення. З принципу Ферма випливає і перший закон відображення: відбитий промінь лежить в площині, що проходить через падаючий промінь і нормаль до поверхні, що відбиває, так як якщо б ці промені лежали в різних площинах, то шлях AOA 1 не був би мінімальним.

Падаючий і відбитий промені оборотні, тобто якщо падаючий промінь направити по шляху відбитого променя, то відбитий промінь піде по шляху падаючого - закон оборотності світлових променів.

Залежно від властивостей кордону розділу середовищ відбиття світла може бути дзеркальним і дифузним (розсіяним).

дзеркальним називається відображення, при якому падаючий на плоску поверхню (рис. 16.8) паралельний пучок променів після відображення залишається паралельним.

Шорстка поверхня відображає паралельний падаючий на неї пучок світла по всіляких напрямках (рис. 16.9). Таке відображення світла називають дифузним.

Відповідно розрізняють дзеркальні і матові поверхні.

Слід зазначити, що це відносні поняття. Поверхонь, що відбивають тільки дзеркально, не існує. У більшості випадків є лише максимум відображення в напрямку кута дзеркального відображення. Цим пояснюється те, що ми бачимо дзеркало і інші дзеркально відображають поверхні з усіх боків, а не тільки в одному напрямку, в якому вони відбивають світло.

Одна і та ж поверхня може бути дзеркальною і матовою залежно від довжини хвилі падаючого світла.

Якщо межа має вигляд поверхні, розміри d нерівностей якої менше довжини хвилі світла \\ (\\ lambda \\), то відображення буде дзеркальним (поверхня краплі ртуті, відполірована металева поверхня і т.д.), якщо \\ (d \\ gg \\ lambda \\), відображення буде дифузним. Чим краще оброблена поверхня, тим більша частка падаючого світла відбивається в напрямку кута дзеркального відображення, а менша - розсіюється.

Розсіяне світло виникає внаслідок дрібних дефектів полірування, подряпин, дрібних пилинок, що мають величину порядку декількох мікронів.

Поверхня, яка рівномірно розсіює падаюче світло на всі боки, називають абсолютно матовою. Абсолютно матових поверхонь також не існує. До абсолютно матовим поверхням близькі поверхні неглазурованного порцеляни, креслярського паперу, снігу.

Навіть для одного і того ж випромінювання матова поверхня може стати дзеркальною, якщо збільшити кут падіння. Дифузно відображають поверхні можуть відрізнятися і за величиною коефіцієнта відображення \\ (\\ rho \u003d \\ frac (W_ (OTP)) (W) \\), що показує, яку частину енергії W падаючого на поверхню світлового пучка становить енергія W отр відбитого світлового пучка.

Білий папір для малювання має коефіцієнт відбиття, рівний 0,7-0,8. Дуже високий коефіцієнт відбиття для поверхонь, покритих окисом магнію, - 0,95 і дуже малий для чорного оксамиту - 0,01-0,002.

Зауважимо, що залежність відображення і поглинання від частоти коливань найчастіше має вибірковий характер.

література

Аксеновіч Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Учеб. посібник для установ, що забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксеновіч, Н.Н.Ракіна, К. С. Фаріно; Під ред. К. С. Фаріно. - Мн .: Адукация i вихаванне, 2004. - С. 457-460.

Світло є важливою складовою нашого життя. Без нього неможливе життя на нашій планеті. При цьому багато явищ, які пов'язані зі світлом, сьогодні активно використовуються в різноманітних сферах людської діяльності, Починаючи від виробництва електротехнічних приладів до космічних апаратів. Одним з основоположних явищ у фізиці є віддзеркалення світла.

віддзеркалення світла

Закон відбиття світла вивчається ще в школі. Що слід знати про нього, а також багато ще корисної інформації зможе розповісти вам наша стаття.

Основи знань про світло

Як правило, фізичні аксіоми є одними з найбільш зрозумілих, оскільки вони мають наочний прояв, які можна легко підгледіти в домашніх умовах. Закон відбиття світла на увазі ситуацію, коли у світлових променів відбувається зміна напрямку при зіткненні з різними поверхнями.

Зверніть увагу! Кордон заломлення значно збільшує такий параметр, як довжина хвилі.

В ході заломлення променів частина їх енергії повернуться назад в первинну середу. При проникненні частини променів в інше середовище спостерігається їх переломлення.
Щоб розбиратися у всіх цих фізичних явищах, необхідно знати відповідну термінологію:

потік світлової енергії у фізиці визначається як падаючий при попаданні на кордон розділу двох речовин;
частина енергії світла, яка в даній ситуації повертається в первинну середу, називається відбитої;

Зверніть увагу! Існує кілька формулювань правила відображення. Як ви його не можете задати, але він все одно буде описувати взаємне розташування відбитих і падаючих променів.

кут падіння. Тут мається на увазі кут, який формується між перпендикулярної лінією кордону середовищ і падаючим на неї світлом. Він визначається в точці падіння променя;

кути променя

кут відображення. Він формується між відбитим променем і перпендикулярної лінією, яка була відновлена \u200b\u200bв точці його падіння.

Крім цього необхідно знати, що світло може поширюватися в однорідному середовищі виключно прямолінійно.

Зверніть увагу! Різні середовища можуть по-різному відображати і поглинати випромінювання світла.

Звідси виходить коефіцієнт відображення. Це величина, яка характеризує відбивну здатність предметів і речовин. Він означає, скільки випромінювання принесеного світловим потоком на поверхню середовища складе та енергія, яка буде відображена від неї. Даний коефіцієнт залежить від цілого ряду чинників, серед яких найбільше значення мають склад випромінювання і кут падіння.
Повне відображення світлового потоку спостерігається тоді, коли промінь падає на речовини і предмети, що володіють відбиває. Наприклад, відображення променя можна спостерігати при попаданні його на скло, рідку ртуть або срібло.

Невеликий історичний екскурс

Закони заломлення і відбиття світла були сформовані і систематизовані ще в ІІІ ст. до н. е. Їх розробив Евклід.

Всі закони (заломлення і відображення), які стосуються даного фізичного явища, були встановлені експериментальним шляхом і легко можуть підтвердитися геометричним принципом Гюйгенса. За цим принципом будь-яка точка середовища, до якої може дійти обурення, виступає в ролі джерела вторинних хвиль.
Розглянемо існуючі на сьогоднішній день закони більш детально.

Закони - основа всього

Закон відображення світлового потоку визначається як фізичне явище, в ході якого світло, що прямує з одного середовища в іншу, на їх розділі буде частково повернений назад.

Віддзеркалення світла на межі поділу

Зоровий аналізатор людини спостерігає світ у момент, коли промінь, що йде від свого джерела, потрапляє в очне яблуко. У ситуації, коли тіло не виступає в ролі джерела, зоровий аналізатор може сприймати промені від іншого джерела, які відбиваються від тіла. При цьому світлове випромінювання, падаюче на поверхню об'єкта, може змінити напрямок свого подальшого поширення. В результаті цього тіло, яке відбиває світло, буде виступати в ролі його джерела. При відображенні частина потоку буде повертатися в першу середу, з якої він спочатку прямував. Тут тіло, яке відобразить його, стане джерелом вже відбитого потоку.
Існує кілька законів для даного фізичного явища:

перший закон говорить: відображає і падаючий промінь, разом з перпендикулярної лінією, що виникає на межі поділу середовищ, а також в відновленої точці падіння світлового потоку, повинні розташовуватися в одній площині;

Зверніть увагу! Тут мається на увазі, що на відбивну поверхню предмета або речовини падає плоска хвиля. Її хвильові поверхні є смужками.

Перший і другий закон

другий закон. Його формулювання має такий вигляд: Кут відбиття світлового потоку буде дорівнює куту падіння. Це пов'язано з тим, що вони мають взаємно перпендикулярними сторонами. Беручи до уваги принципи рівності трикутників, стає зрозумілим, звідки береться це рівність. Використовуючи дані принципи можна легко довести те, що ці кути знаходяться в одній площині з проведеної перпендикулярної лінією, яка була відновлена \u200b\u200bна кордоні поділу двох речовин в точці падіння світлового променя.

Ці два закони в оптичної фізики є основними. При цьому вони справедливі і для променя, що має зворотний хід. В результаті оборотності енергії променя, потік, що поширюється по шляху раніше відображеного, буде відображатися аналогічно шляху падаючого.

Закон відображення на практиці

Перевірити виконання даного закону можна на практиці. Для цього необхідно направити тонкий промінь на будь-яку поверхню, що відбиває. З цією метою відмінно підійде лазерна указка і звичайне дзеркало.

Дія закону на практиці

Направляємо лазерну указку на дзеркало. В результаті цього лазерний промінь відіб'ється від дзеркала і пошириться далі в заданому напрямку. При цьому кути падаючого і відбитого променя дорівнюватимуть навіть при звичайному погляді на них.

Зверніть увагу! Світло від таких поверхонь буде відображатися під тупим кутом і далі поширюватися по низькій траєкторії, яка розташована досить близько до поверхні. А ось промінь, який буде падати практично прямовисно, відіб'ється під гострим кутом. При цьому його подальший шлях буде практично аналогічним падаючому.

Як бачимо, ключовим моментом даного правила є той факт, що кути необхідно вичитувати від перпендикуляра до поверхні в місці падіння світлового потоку.

Зверніть увагу! Цьому закону підпорядковується не тільки світло, а й будь-які види електромагнітних хвиль (СВЧ, радіо-, рентгенівські хвилі і т.п).

Особливості дифузного віддзеркалення

Багато предметів можуть тільки відображати падаюче на їх поверхню світлове випромінювання. Відмінно освітлені об'єкти добре видно з різних сторін, так як їх поверхню відображає і розсіює світло в різних напрямках.

дифузійне відбиття

Таке явище називається розсіяним (дифузним) відображенням. Це явище утворюється при попаданні випромінювання на різні шорсткі поверхні. Завдяки йому ми маємо можливість розрізняти об'єкти, які не мають здатності випромінювати світло. Якщо розсіювання світлового випромінювання дорівнюватиме нулю, то ми не зможемо побачити ці предмети.

Зверніть увагу! Дифузійне відбиття не викликає у людини дискомфорту.

Відсутність дискомфорту пояснюється тим, що не весь світ, відповідно до вищеописаного правилом, повертається в первинну середу. Причому цей параметр у різних поверхонь буде різним:

у снігу - відбивається приблизно 85% випромінювання;
у білого паперу - 75%;
у чорного кольору і велюру - 0,5%.

Якщо ж відображення йде від шорсткуватих поверхонь, то світло буде направлятися по відношенню один до одного хаотично.

Особливості дзеркального відображення

Дзеркальне відображення світлового випромінювання відрізняється від раніше описаних ситуацій. Це пов'язано з тим, що в результаті падіння потоку на гладку поверхню при певному куті вони будуть відображатися в одному напрямку.

Дзеркальне відображення

Це явище можна легко відтворити, використовуючи звичайне дзеркало. При напрямку дзеркала на сонячні промені, воно буде виступати в ролі відмінною відбиває.

Зверніть увагу! До дзеркальних поверхонь можна віднести цілий ряд тел. Наприклад, в цю групу сходять все гладкі оптичні об'єкти. Але такий параметр, як розміри нерівностей і неоднорідностей у цих об'єктів будуть становити менше 1 мкм. Величина довжини хвилі світла становить приблизно 1 мкм.

Всі такі дзеркальні поверхні, що відбивають підкоряються раніше описаним законам.

Використання закону в техніці

На сьогоднішній день в техніці досить часто застосовуються дзеркала або дзеркальні об'єкти, що мають вигнуту поверхню, що відбиває. Це так звані сферичні дзеркала.
Подібні об'єкти представляють собою тіла, які мають форму сферичного сегмента. Для таких поверхонь характерно порушення паралельності променів.
на наразі існують два типи сферичних дзеркал:

увігнуті. Вони здатні відображати світлове випромінювання від внутрішньої поверхні свого сегмента сфери. При відображенні промені збираються тут в одній точці. Тому їх часто ще називають «збирають»;

увігнуте дзеркало

опуклі. Для таких дзеркал характерно відображення випромінювання від зовнішньої поверхні. В ході цього відбувається розсіювання в сторони. З цієї причини такі об'єкти отримали назву «розсіюють».

опукле дзеркало

При цьому існує кілька варіантів поведінки променів:

пален майже паралельно поверхні. У даній ситуації він лише трохи торкається поверхні, а відбивається під дуже тупим кутом. Далі він йде за досить низькою траєкторії;
при відповідному падінні, промені відбиваються під гострим кутом. При цьому, як ми говорили вище, відбитий промінь буде слідувати по шляху дуже близькій падаючому.

Як бачимо, закон виповнюється у всіх випадках.

висновок

Закони відбивання світлового випромінювання дуже важливі для нас, оскільки вони є основними фізичними явищами. Вони знайшли широке застосування в різних сферах людської діяльності. Вивчення основ оптики відбувається ще в середній школі, що зайвий раз доводить важливість таких базових знань.

Як самому зробити ангельські очки для ваза?